Бактерии, стаи птиц и искусственные микрочастицы, способные двигаться за счет химических реакций, относятся к активным системам. Их элементы используют поступающую извне или запасенную внутри энергию для собственного движения. Взаимодействуя друг с другом, они могут образовывать упорядоченные структуры и двигаться согласованно. Одна из задач физики активных сред – выяснить, как движение отдельных частиц приводит к такому коллективному поведению.
Особый интерес представляют системы из продолговатых активных частиц. Они напоминают молекулы нематических жидких кристаллов, которые преимущественно ориентируются в одном направлении, но при этом обладают внутренним источником движения. Такие среды называют активными нематиками. В ограниченном пространстве они могут как сохранять устойчивую структуру, так и переходить к коллективному движению.
Ранее в экспериментах с активной средой внутри сферических капель исследователи обнаружили, что увеличение размеров капли или активности ее содержимого приводит к появлению течений. Это явление получило название активного перехода Фредерикса — по аналогии с изменением ориентации молекул обычного жидкого кристалла под действием электрического или магнитного поля. Однако теоретические подходы, описывающие среду как непрерывное вещество, не подходят для описания поведения наноскопических систем, где необходимо учитывать движение и взаимодействие отдельных частиц.
Автор новой работы, физик ИПМаш РАН Леонид Миранцев, обобщил ранее предложенную им двумерную модель активных частиц на случай трехмерного пространства. Методом молекулярной динамики он исследовал поведение 1566 продолговатых частиц, заключенных внутри наноскопической сферической области. Расчет учитывал их взаимодействие друг с другом, влияние границы и силу, обеспечивающую собственное движение каждой частицы.
В модели источник этой силы можно представить как миниатюрный реактивный двигатель: частица испускает струю вещества, возникающего в результате внутренней химической реакции. Исследователь рассмотрел два варианта — когда струя направлена вдоль длинной оси частицы и когда она выходит из бокового отростка под углом к ней. Кроме того, он рассмотрел два способа ориентации частиц у ограничивающей поверхности: вдоль поверхности сферы и перпендикулярно ей.
Расчеты показали, что слабая движущая сила не нарушает устойчивую ориентацию ансамбля: частицы лишь немного отклоняются от нее. После превышения порогового значения возникает согласованное вращение. Такой переход наблюдался при обоих вариантах взаимодействия с границей. Для частиц с боковым расположением источника тяги требовалась большая сила, чем для частиц с тягой вдоль длинной оси. Автор определил интервалы, в которых находятся пороги перехода для всех рассмотренных случаев.
Принципиальная особенность результата — характер возникшего движения. В модели частицы поворачивались, сохраняя высокую степень взаимной упорядоченности, но заметного переноса вещества не происходило. Положение центра выбранной для наблюдения группы менялось не более чем примерно на характерный размер частицы, а размер самой группы — лишь на несколько процентов. Таким образом, усиление активности запускало вращение частиц без образования течения.
Этим результат отличается от прежних экспериментов с более крупными каплями. Автор связывает различие с масштабом систем: в экспериментальных работах радиус капель составлял не менее 30 микрометров, тогда как новая модель описывает наноскопическую область всего с 1566 частицами.
Исследование дает способ изучать активный переход Фредерикса на уровне отдельных взаимодействующих частиц и показывает, как он может проявляться при сильном пространственном ограничении. Следующим шагом автор считает эксперименты с наноскопическими каплями: они позволят проверить, возникает ли предсказанное вращение без заметного течения в реальной активной среде.
«Собственная тяга частиц еще не означает, что они начнут двигаться коллективно. В нашей модели, пока эта сила мала, частицы сохраняют устойчивую ориентацию. Но после преодоления определенного порога они начинают согласованно поворачиваться. При этом заметного течения вещества не возникает. Именно этим результат отличается от экспериментов с более крупными каплями активной среды, где усиление активности приводило к появлению течений», — пояснил ведущий научный сотрудник Лаборатории микромеханики материалов ИПМаш РАН Леонид Миранцев.